Niezwykły metal

Tytan (Ti) to pierwiastek metaliczny o biało-szarej barwie. Jego odkrywcą był angielski pastor Wiliam Gregor. W 1791 roku, w pobliżu swojej parafii, zauważył czarny piasek. Po wielu analizach chemicznych doszedł do wniosku, że w drobinach piasku zawierał się nieznany dotąd pierwiastek – tytan. Swoją nazwę zawdzięcza określeniu bóstw w mitologii greckiej, Martinowi Heinrichowi Klaprothowi. Być może ze względu na główne występowanie w skałach, choć także w rudach innych metali. Obecnie jedną z metod otrzymywania metalicznego tytanu jest redukcja chlorku tytanu(IV) magnezem, którą przeprowadza się w temperaturze od 850 do 900°C.

Najogólniej rzecz biorąc, tytan jest metalem, tak jak żelazo, aluminium, czy ołów. Przez wzgląd na budowę wewnętrzną, typową dla metali, czyli znaczącą dominację wiązania metalicznego, na pierwszy rzut oka nie różni się od swoich braci z grupy metali. W ich przypadku, elektrony walencyjne różnych atomów łączą się w pary, które są współdzielone przez oba atomy tworzące wiązanie. Zachowanie elektronów walencyjnych, czyli negatywnie naładowanych cząstek elementarnych, znajdujących się najdalej od jądra, jest niezwykle istotne ze względu na same właściwości każdego materiału, nie tylko metalu. W przypadku tytanu powstają pasma elektronów, które mogą się swobodnie przemieszczać pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego, dzięki czemu materiał przewodzi prąd elektryczny. Co więcej, występują w nim trójwymiarowe sieci silnych wiązań. To warunkuje dużą wytrzymałość mechaniczną, wysoką temperaturę topnienia, kowalność oraz duży współczynnik rozszerzalności cieplnej. Jednak, wśród metali, tytan jest wyjątkowy. Pomimo gęstości, która plasuje go między aluminium i stalą, jest wyjątkowo wytrzymały. Różne zabiegi technologiczne są w stanie go przekształcić w materiał konstrukcyjny, cechujący się szerokim wachlarzem unikalnych cech – od super-twardości, przez wysoką odporność na zmęczenie materiału, do możliwości stosowania w agresywnym środowisku w wysokiej temperaturze. Tytan jest też bardzo odporny na szereg typów korozji. Wyróżnia go alotropia, czyli występowanie więcej niż jednej odmiany materiału w obrębie tego samego stanu skupienia. Do temperatury 882°C istnieje odmiana, która przejawia się dobrą spawalnością oraz odpornością na korozję i utlenianie. Natomiast powyżej 882°C występuje odmiana o jeszcze większej gęstości, ciągliwości, wytrzymałości oraz o zdolności do odkształcania na zimno. Ilość jednej odmiany względem drugiej uzależniona jest od zawartości dodatków stopowych – pierwiastków wprowadzonych celowo do składu chemicznego, by zmienić właściwości materiału.

Wielość cech tytanu sprawia, że jest on stosowany w różnych materiałach. Jednak większość elementów, oznaczonych jako „made of titanium”, jest właściwie jego stopem. Co więcej, najczęściej jest to stop z aluminium i wanadem, ponieważ ten układ stanowi znaczną większość wykorzystywanych przemysłowo stopów tytanu. Na pewno wiesz o wykorzystywaniu tytanu w medycynie. Często mówi się o tytanowych kościach czy zębach. Otóż silne powinowactwo tego pierwiastka do tlenu powoduje utworzenie na powierzchni metalu trwałej i szczelnej warstwy tlenków, składającej się głównie z rutylu (tlenku tytanu(IV)), wytwarzanej w sposób samorzutny. Ta warstwa powoduje, że tytan nie tylko jest odporny na działanie korozji, ale także jest biokompatybilny. Dlatego elementy tytanowe wykorzystuje się w stomatologii – tytanowe zęby – czy implantologii - tytanowe kości. Biologiczna obojętność warstwy tlenków sprawia, że na powierzchni części tytanowego wszczepu, umieszczonego w kości, mogą zachodzić komórkowe i tkankowe reakcje gojenia, jakie wystąpiłyby, gdyby nie było tam ciała obcego. Poza tym niskie przewodnictwo elektryczne i cieplne, lekkość, rzadkie oddziaływania alergiczne oraz duża wytrzymałość mechaniczna to właściwości, dzięki którym wypełnienia tytanowe są coraz częściej wykonywane przez stomatologów. Niskie przewodnictwo cieplne tytanu sprawia, że pacjenci nie odczuwają bólu i dyskomfortu podczas spożywania gorących i zimnych pokarmów. Mało tego – tytan nie wykazuje właściwości magnetycznych, dzięki czemu pacjenci mogą być bezpiecznie obrazowani w badaniu z zastosowaniem rezonansu magnetycznego.

Tytan posiada szerokie spektrum zastosowań – powstają z niego ramy rowerowe, elementy silników samochodowych, odrzutowych, implanty, ozdoby, długopisy, noże i wiele jeszcze innych rzeczy. Skoro tak się dzieje, to dlaczego wszędzie obecne są stal i aluminium? Odpowiedź jest prosta – wysoki koszt otrzymania. Naukowcy badają różne możliwości i najnowsze osiągnięcia pozwalają już na znaczną oszczędność energii i drogich reagentów. Potrzeba jednak czasu zanim technologia z laboratoriów przejdzie do zwykłych przedsiębiorstw.